Jak přesnost a preciznost ovlivňují měření v technických systémech?

Při hodnocení výkonu střelce, jak ukazuje tabulka a grafy, je důležité rozlišovat mezi přesností a precizností. Přesnost se týká toho, jak blízko jsou výsledky měření (nebo střely) střední hodnotě, zatímco preciznost se soustředí na to, jak konzistentní jsou tato měření mezi sebou. Toto rozlišení je klíčové pro porozumění kvalitě jakéhokoli měření, nejen ve střeleckých dovednostech, ale i v technických a vědeckých aplikacích.

Tento příklad ukazuje, jak obě metriky – přesnost a preciznost – hrají roli při hodnocení kvality výsledků. Pro měření v technických systémech je tento princip obdobný. I když je přesnost zásadní pro dosažení správného výsledku, není vždy stejně kritická jako preciznost. Pokud je kalibrace měřicího systému správně nastavena, lze přesnost upravit, avšak preciznost, pokud není dosažena, nelze snadno opravit.

Pojem "třída přesnosti" je dalším klíčovým prvkem, který je třeba při měření zohlednit. Třída přesnosti definuje požadavky na měřicí přístroje tak, aby byly chyby měření nebo nejistoty přístrojů v souladu s předepsanými limity pro dané podmínky použití. Třídy přesnosti se používají k označení kvalitativní úrovně měřicího zařízení, například ve vztahu k délkovým nebo hmotnostním standardům, jako jsou bloky třídy 1 nebo standardy hmotnosti třídy E1 až M2.

Dále je třeba rozlišovat mezi "opakovatelnými" a "reprodukovatelnými" měřeními. Opakování měření v podmínkách, kdy je měřicí systém, operátor, podmínky měření i objekty stabilní, znamená opakovatelná měření. Reprodukovatelnost se týká situace, kdy jsou měření prováděna v různých podmínkách, například na různých místech nebo s různými operátory. To je zvláště důležité v situacích, jako jsou exporty, kde není možné provádět měření na stejném místě, ale je nezbytné, aby výsledky odpovídaly stanoveným kritériím.

Je zásadní si uvědomit, že každé měření je ovlivněno množstvím faktorů, a je třeba k nim přistupovat s porozuměním a opatrností. To zahrnuje nejen základní aspekty přesnosti a preciznosti, ale i podmínky měření a možné vlivy, které mohou ovlivnit výsledek.

Jak dnes definujeme základní jednotky SI?

Původní definice kilogramu byla založena na hmotnosti fyzického artefaktu – Mezinárodního prototypu kilogramu (IPK), uchovávaného v Mezinárodním úřadu pro míry a váhy (BIPM). Tento artefakt byl jediným měřítkem jednotky hmotnosti, avšak právě fyzická povaha tohoto etalonu byla jeho největší slabinou. Vzájemné porovnávání oficiálních kopií prototypu ukazovalo v průběhu času odchylky. Ačkoliv změna hmotnosti samotného IPK nebyla jednoznačně prokázána, existuje důvodné přesvědčení, že k ní dochází – byť nepatrně a na hranici možností tehdejších měření.

Moderní přístup k definici jednotek SI se snaží odstranit závislost na fyzických objektech a opírá se výhradně o neměnné přírodní konstanty. Kilogram je dnes definován skrze pevně stanovenou hodnotu Planckovy konstanty h, vyjádřenou v jednotkách J·s (což odpovídá kg·m²·s⁻¹), přičemž délka (metr) a čas (sekunda) jsou také definovány prostřednictvím neměnných veličin – rychlosti světla c a hyperjemné frekvence atomu cesia ΔνCs.

Tento posun umožnil vývoj wattových vah (známých také jako Kibbleho váhy), zařízení, která umožňují přímé porovnání mechanické a elektromagnetické energie. Pomocí wattové váhy lze realizovat kilogram bez fyzického etalonu. Elektrický proud (ampér) lze definovat aplikací Ohmova zákona A = V/Ω, kde volt a ohm jsou dány přes Josephsonův jev a kvantový Hallův jev – dvě kvantové technologie, které umožňují extrémně přesná měření elektrických veličin.

Jednotka termodynamické teploty, kelvin, je dnes založena na Boltzmannově konstantě k, s využitím metod, jako je akustická termometrie. Ta umožňuje určit teplotu pomocí rychlosti zvuku v plynu uzavřeném v přesně definované kouli.

Mol – jednotka látkového množství – je nově definován jako přesný počet částic (6,022 140 76 × 10²³), tedy Avogadrova konstanta. Tato definice umožňuje realizovat mol například prostřednictvím křemíkové koule vyrobené z izotopicky čistého křemíku 28, u níž je možné přesně spočítat počet atomů.

Vedle základních jednotek existují také jednotky odvozené, které vznikají kombinací základních jednotek na základě matematických vztahů mezi odpovídajícími fyzikálními veličinami. Například jednotka síly newton je definována jako kg·m·s⁻², jednotka energie joule jako kg·m²·s⁻², tlak pascal jako N/m² atd. Tyto jednotky lze rozpoznat a analyzovat pomocí tzv. rozměrové analýzy, což je nástroj pro vyjádření vztahů mezi fyzikálními veličinami a jejich jednotkami na základě jejich dimenzí – například délky (L), hmotnosti (M), času (T) či proudu (I).

Pomocí rozměrové analýzy můžeme například odvodit, že jednotkou dynamické viskozity (η), pokud známe vztah F = 6πRηv (Stokesův zákon), je kg·m⁻¹·s⁻¹. Zároveň platí, že jelikož pascal je kg·m⁻¹·s⁻², lze viskozitu vyjádřit také jako Pa·s.

Tato metodologie nám umožňuje nejen analyzovat fyzikální vztahy, ale i ověřovat správnost rovnic. Například pokud máme vztah pro tlak P = v²·k, kde v je rychlost, rozměrovou analýzou zjistíme, že k musí mít rozměr hmotnost na objem, tedy hustotu.

Pro pochopení moderního systému jednotek SI je zásadní akceptovat, že smyslem všech nových definic je propojit měření s neměnnými fyzikálními zákonitostmi – nikoliv s arbitrárními či proměnlivými etalony. Díky tomu se jednotky stávají univerzálními, opakovatelnými a dostupnými kdekoliv na světě, bez nutnosti fyzického přístupu ke konkrétnímu objektu.